ČČestice kandidati za tamnu estice kandidati za tamnu materijumateriju

Danilo DeliDanilo Delibašić IVbašić IV88

UvodUvod Skorašnja opažanja ukazuju na to da je naše trenutno Skorašnja opažanja ukazuju na to da je naše trenutno

poznavanje svemira veoma ograničenopoznavanje svemira veoma ograničeno Ispostavilo se da forma materije za koju smo do sada Ispostavilo se da forma materije za koju smo do sada

smatrali da čini celokupnu materiju svemira (barioni, smatrali da čini celokupnu materiju svemira (barioni, nama su najpoznatiji protoni i neutroni), zapravo nama su najpoznatiji protoni i neutroni), zapravo predstavlja samo njen relativno mali deopredstavlja samo njen relativno mali deo

Čini se da živimo u svemiru sastavljenom primarno od Čini se da živimo u svemiru sastavljenom primarno od novog, nedefinisanog oblika materije – tamna materijanovog, nedefinisanog oblika materije – tamna materija

Naziv potiče od jedne od njenih osobina: ova vrsta Naziv potiče od jedne od njenih osobina: ova vrsta materije ne interaguje putem elektromagnetne materije ne interaguje putem elektromagnetne interakcije, te je interakcije, te je ““nevidljivanevidljiva”” za naše detektore za naše detektore elektromagnetnog zračenja, odnosno elektromagnetnog zračenja, odnosno ““tamnatamna””

Standardni model česticaStandardni model čestica Objašnjava tri od četiri poznate interakcije, Objašnjava tri od četiri poznate interakcije, kao i kao i čestice čestice

koje učestvuju u tim interakcijamakoje učestvuju u tim interakcijama Dve grupe čestica: gradivne i prenosioci interakcijaDve grupe čestica: gradivne i prenosioci interakcija Gradivne – leptoni (fundamentalne čestice) i hadroni Gradivne – leptoni (fundamentalne čestice) i hadroni

(sastavljeni od kvarkova)(sastavljeni od kvarkova) Postoji Postoji 6 kvarkova6 kvarkova: up: up, , down, charmdown, charm, , strange, topstrange, top, ,

bottombottom Kvarkovi poseduju elektromagnetni i naboj bojeKvarkovi poseduju elektromagnetni i naboj boje 6 leptona: elektron, mion, tauon i njihovi odgovarajući 6 leptona: elektron, mion, tauon i njihovi odgovarajući

neutrini: elektronski, mionski i tauonskineutrini: elektronski, mionski i tauonski Elektron, mion i tauon poseduju Elektron, mion i tauon poseduju elektromagnetni nabojelektromagnetni naboj Neutrini ne poseduju naelektrisanjeNeutrini ne poseduju naelektrisanje O masi neutrina se ne može sa sigurnošću govoritO masi neutrina se ne može sa sigurnošću govoritii Leptoni ne poseduju naboj bojeLeptoni ne poseduju naboj boje

Osnovne Osnovne ““fizičkefizičke”” interakcije se mogu objasniti kao interakcije se mogu objasniti kao posledica razmene odgovarajućih česticaposledica razmene odgovarajućih čestica

Čestice moraju posedovati odgovarajući naboj da bi Čestice moraju posedovati odgovarajući naboj da bi učestvovale u datoj interakcijiučestvovale u datoj interakciji

Osnovne interakcije (od najslabije ka najjačoj): Osnovne interakcije (od najslabije ka najjačoj): gravitaciona, slaba, elektromagnetna i jakagravitaciona, slaba, elektromagnetna i jaka

SupersimetrijaSupersimetrija Teorija koja tvrdi da svakom bozonu odgovara fermion (i Teorija koja tvrdi da svakom bozonu odgovara fermion (i

obratno) – superpartneriobratno) – superpartneri Supersimetrija je narušena simetrija, po pitanju maseSupersimetrija je narušena simetrija, po pitanju mase Velike mogućnosti u Velike mogućnosti u objašnjavanju nerazjašnjenih objašnjavanju nerazjašnjenih fenomenafenomena Uvodjenje supersimetrije Uvodjenje supersimetrije zahteva dupliranje broja zahteva dupliranje broja čestica Standardnog modelačestica Standardnog modela Neke od ovih čestica Neke od ovih čestica predstavljaju ozbiljne predstavljaju ozbiljne kandidate za tamnu materiju kandidate za tamnu materiju (npr. neutralino, gravitino)(npr. neutralino, gravitino)

Standardni kosmološki modelStandardni kosmološki model Trenutno najprihvaćeniji model svemiraTrenutno najprihvaćeniji model svemira Osnovne karakteristike svemira:Osnovne karakteristike svemira:

Izotropnost i homogenostIzotropnost i homogenost Svemir je ravanSvemir je ravan Postojanje početka – Postojanje početka – ““Veliki prasakVeliki prasak””

Model je predvideo postojanje kosmičkog mikrotalasnog Model je predvideo postojanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenjapozadinskog zračenja

Standardni model nije bio u mogućnosti da objasni sve Standardni model nije bio u mogućnosti da objasni sve uočene pojaveuočene pojave

Njegova najsavremenija verzija je Njegova najsavremenija verzija je ΛΛCDM (Lambda – CDM (Lambda – Cold Dark Matter) model, koji uključuje postojanje tamne Cold Dark Matter) model, koji uključuje postojanje tamne materije i tamne energijematerije i tamne energije

Tamna materijaTamna materija Indikacije o postojanju tamne materije:Indikacije o postojanju tamne materije:

Svemir je ravanSvemir je ravan Galaktičke rotacione kriveGalaktičke rotacione krive Gravitaciona sočivaGravitaciona sočiva Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenjeKosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje Formiranje strukturaFormiranje struktura

Čestice kandidati za tamnu materijuČestice kandidati za tamnu materiju

Tri tipa čestica tamne materije: vrelTri tipa čestica tamne materije: vrelee, topl, toplee i hladn i hladnee

Vrela tamna materijaVrela tamna materija Lake čestice koje se kreću ultrarelativističkiLake čestice koje se kreću ultrarelativistički Najbolji kandidat neutrino, interaguje putem gravitacione Najbolji kandidat neutrino, interaguje putem gravitacione

i slabe interakcijei slabe interakcije Detektovanje se najčešće vrši u podzemnim Detektovanje se najčešće vrši u podzemnim

laboratorijamalaboratorijama Sterilni neutrino, samo putem gravitacioneSterilni neutrino, samo putem gravitacione Visoka nepouzdanost u masi sterilnog neutrinaVisoka nepouzdanost u masi sterilnog neutrina Teorija vrele tamne materije isključena kao vodeća ili vrlo Teorija vrele tamne materije isključena kao vodeća ili vrlo

relevantnarelevantna Pominje se samo u kontekstu kombinovane teorijePominje se samo u kontekstu kombinovane teorije

Topla tamna materijaTopla tamna materija Po osobinama izmedju vrele i hladne tamne materijePo osobinama izmedju vrele i hladne tamne materije Relativističke česticeRelativističke čestice Glavni kandidat (pored pomenutog sterilnog neutrina) je Glavni kandidat (pored pomenutog sterilnog neutrina) je

gravitinogravitino Topli sterilni neutrino Topli sterilni neutrino je je veoma ozbiljan kandidatveoma ozbiljan kandidat Predložena metoda otkrivanja sterilnih neutrina putem Predložena metoda otkrivanja sterilnih neutrina putem

detektovanja X-zračenjadetektovanja X-zračenja Gravitino je supersimetrični partner gravitonaGravitino je supersimetrični partner gravitona Spin mu je 3/2Spin mu je 3/2 Masa reda veličine 10Masa reda veličine 101515 TeV TeV Raspadom gravitina se dobija kontinualan spektar Raspadom gravitina se dobija kontinualan spektar γγ--

zračenja i antimaterije (pre svega pozitrona)zračenja i antimaterije (pre svega pozitrona) Jedan od manje verovatnih kandidataJedan od manje verovatnih kandidata

Hladna tamna materijaHladna tamna materija Masivne čestice koje se kreću relativno sporoMasivne čestice koje se kreću relativno sporo Najprihvaćenija od nabrojane tri teorijeNajprihvaćenija od nabrojane tri teorije Tri kategorije kandidata: MACHOs, aksioniTri kategorije kandidata: MACHOs, aksioni (i aksini) i (i aksini) i

WIMPsWIMPs

Barionska materijaBarionska materija Massive Compact Halo ObjectsMassive Compact Halo Objects Njihovo gravitaciono polje onemogućava (potpuno, ili u Njihovo gravitaciono polje onemogućava (potpuno, ili u

velikoj meri) emitovanje elektromagnetnog zračenjavelikoj meri) emitovanje elektromagnetnog zračenja Gravitaciono iGravitaciono izolovana telazolovana tela MACHOs: Crne rupe, neutronske zvezde, braon patuljci, MACHOs: Crne rupe, neutronske zvezde, braon patuljci,

usamljene zvezde, beli, kao i veoma bledi crveni patuljciusamljene zvezde, beli, kao i veoma bledi crveni patuljci Model tamne materije sastavljene većinski od MACHOs Model tamne materije sastavljene većinski od MACHOs

se ne uklapa sa realnim stanjem svemirase ne uklapa sa realnim stanjem svemira I dalje potrebna velika količina nebarionske materije za I dalje potrebna velika količina nebarionske materije za

objašnjenje tamne materijeobjašnjenje tamne materije

MACHOsMACHOs

Aksion i aksinoAksion i aksino Aksion je veoma dobar kandidat za tamnu materijuAksion je veoma dobar kandidat za tamnu materiju Interaguje samo putem gravitacione interakcijeInteraguje samo putem gravitacione interakcije Spin jednak nuliSpin jednak nuli Masa vrlo mala, izmedju 10Masa vrlo mala, izmedju 10-6-6 i 10 i 10-2-2 eV eV Kreću se veoma sporoKreću se veoma sporo Aksioni se pod uticajem jakog magnetnog polja Aksioni se pod uticajem jakog magnetnog polja

raspadaju na dva fotona (povratan proces)raspadaju na dva fotona (povratan proces) Neki naučnici su vrlo skeptični po pitanju postojanja Neki naučnici su vrlo skeptični po pitanju postojanja

aksionaaksiona Aksino – supersimetrični partner aksionaAksino – supersimetrični partner aksiona Nedovoljno istražen kandidat, mada se takodje smatra Nedovoljno istražen kandidat, mada se takodje smatra

veoma dobrom mogućnošćuveoma dobrom mogućnošću Ne poseduje elektromagnetni, niti naboj boje, vrlo slabo Ne poseduje elektromagnetni, niti naboj boje, vrlo slabo

interaguje putem slabe interaguje putem slabe interakcijeinterakcije Najviše obećava aksino mase mirovanja reda veličine Najviše obećava aksino mase mirovanja reda veličine

100 keV100 keV

WIMPsWIMPs

Weakly Interacting Massive ParticlesWeakly Interacting Massive Particles Veoma široka kategorija kandidataVeoma široka kategorija kandidata Interaguju samo putem slabe i gravitacione sileInteraguju samo putem slabe i gravitacione sile Veoma slične osobine neutrinimaVeoma slične osobine neutrinima Masa reda veličine od GeV do 100 GeVMasa reda veličine od GeV do 100 GeV Jedni od najverovatnijih kandidataJedni od najverovatnijih kandidata Većina eksperimenata se bazira na elastičnim sudarima Većina eksperimenata se bazira na elastičnim sudarima

WIMP-ova sa atomskim jezgrimaWIMP-ova sa atomskim jezgrima Instrumenti moraju posedovati sposobnost da utvrde Instrumenti moraju posedovati sposobnost da utvrde

karakter dogadjaja (sudara)karakter dogadjaja (sudara) Druga vrsta eksperimenata se bazira na detekciji Druga vrsta eksperimenata se bazira na detekciji

solarnih neutrinasolarnih neutrina Treći način se vrši u sudaračimaTreći način se vrši u sudaračima

Alternativna objašnjenjaAlternativna objašnjenja Tamna materija i tamna energija predstavljaju, medju Tamna materija i tamna energija predstavljaju, medju

kosmolozima, najprihvaćeniju teoriju koja objašnjava sastav kosmolozima, najprihvaćeniju teoriju koja objašnjava sastav i ubrzano širenje svemirai ubrzano širenje svemira

Odredjeni broj fizičara (mada su oni u manjini) predlaže Odredjeni broj fizičara (mada su oni u manjini) predlaže alternativne teorije u vidu:alternativne teorije u vidu:

Modifikacija gravitacije iModifikacija gravitacije i//ili zakona dinamikeili zakona dinamike Kvantno-mehaničkih objašnjenjaKvantno-mehaničkih objašnjenja Teorije tamnog fluidaTeorije tamnog fluida

Postoje joPostoje jošš neke alternativne teorije, ali su ove tri neke alternativne teorije, ali su ove tri nanajzastupljenijejzastupljenije

ZaključakZaključak WIMPWIMP-ovi, aksioni i pojedini neutrini su trenutno najbolji -ovi, aksioni i pojedini neutrini su trenutno najbolji

kandidatikandidati Barionska, vrela tamna materija i gravitino su odbačeni Barionska, vrela tamna materija i gravitino su odbačeni

kao većinski konstituentikao većinski konstituenti Neke alternativne teorije daju dobra poklapanja sa Neke alternativne teorije daju dobra poklapanja sa

opažanjimaopažanjima Postojanje tamne materije je ipak verovatnija mogućnostPostojanje tamne materije je ipak verovatnija mogućnost Na odgovor na navedene anomalije možda nećemo Na odgovor na navedene anomalije možda nećemo

morati dugo da čekamomorati dugo da čekamo